(57)【要約】【課題】  トナーとキャリアからなる２成分現像剤を使用して用紙などに画像を顕像化する画像形成方法において、線画像の単位面積あたりのトナー付着量がベタ画像のトナー付着量に比べて適切な付着量となる画像形成方法を提供する。【解決手段】  トナー単位重量当たりの帯電量Ｑ／Ｍと、現像剤中のトナーの重量割合を表すトナー濃度Ｔｃ（％）との関係を一定の関係の数値ＡとＢとした場合、Ｂの値が０．０３５以下で、かつＢ×Ｔｃ＜０．５４の条件を満足するトナー濃度Ｔｃにおいて、トナーのＱ／Ｍの絶対値が１５μＣ／ｇ以上の現像剤を使用する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
トナーとキャリアからなる２成分現像剤を使用して用紙などに画像を顕像化する画像形成方法において、
トナー単位重量当たりの帯電量Ｑ／Ｍと、現像剤中のトナー濃度Ｔｃ（％）との関係が（１）式に当てはまるＡとＢを求めた場合、Ｂの値が０．０３５以下となる現像剤を使用し、かつＢ×Ｔｃ＜０．５４の条件を満足するトナー濃度Ｔｃの条件で前記現像剤を使用することを特徴とする画像形成方法。
Ｑ／Ｍ＝Ａ×ｅｘｐ（−Ｂ×Ｔｃ）…（１）
【請求項２】
Ｑ／Ｍの絶対値を１５μＣ／ｇ以上としたことを特徴とする請求項１記載の画像形成方法。
【請求項３】
トナーとキャリアからなる２成分現像剤を使用して用紙などに画像を顕像化する画像形成装置において、
トナー単位重量当たりの帯電量Ｑ／Ｍと、現像剤中のトナー濃度Ｔｃ（％）との関係が（１）式に当てはまるＡとＢを求めた場合、Ｂの値が０．０３５以下で、かつＢ×Ｔｃ＜０．５４の条件を満足するトナー濃度Ｔｃにおいて、トナーのＱ／Ｍの絶対値が１５μＣ／ｇ以上の現像剤を使用したことを特徴とする画像形成装置。
Ｑ／Ｍ＝Ａ×ｅｘｐ（−Ｂ×Ｔｃ）…（１）
【請求項４】
トナーとキャリアからなる２成分現像剤を保持し現像ロールを備えた現像機と、前記現像ロールと対向する感光体と、前記現像ロールに重畳バイアス電圧を加える現像バイアス電源を有する画像形成装置において、
トナー単位重量当たりの帯電量Ｑ／Ｍと、現像剤中のトナー濃度Ｔｃ（％）との関係が（１）式に当てはまるＡとＢを求めた場合、Ｂの値が０．０３５以下で、Ｔｃ＝１５％でのトナーのＱ／Ｍの絶対値が１５μＣ／ｇ以上、前記現像ロールと前記感光体との間の現像ギャップが０．４ｍｍ以下、周速比が１．８以上、前記現像バイアス電源による重畳バイアス電圧のうち直流現像バイアスが３５０Ｖ以上、交流現像バイアス電圧が９００Ｖｐｐ以上の画像形成条件としたことを特徴とする画像形成装置。
Ｑ／Ｍ＝Ａ×ｅｘｐ（−Ｂ×Ｔｃ）…（１）
【請求項５】
前記現像ギャップの値が０．２ｍｍ以上０．４ｍｍ以下であることを特徴とする請求項４記載の画像形成装置。
【請求項６】
交流電圧の周波数を４ｋＨｚ以上としたことを特徴とする請求項４記載の画像形成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子写真方式を用いた画像形成方法および画像形成装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電子写真方式による画像形成方法を用いた画像形成装置としては、レーザビームプリンタや複写機などが知られている。主な画像形成方法としては、感光体を帯電した後、画像データに応じた露光を行って感光体上に画像パタ−ンに対応した電荷分布を形成し、電荷分布に応じてトナーを現像して顕像化されたトナー像が現れる。その後、トナー像を紙へ転写し、熱定着によって用紙上に固着して印刷を完成する。現像としては、粒径５〜１０μｍ前後の着色粒子であるトナーと、フェライトやマグネタイト，鉄粉など平均粒径が３０〜１００μｍの磁性粒子であるキャリアを混合した２成分現像の方式が知られている。一方、トナーに磁性粉を含有し、キャリアを用いない１成分現像の方式が知られている。
【０００３】
２成分現像方式で用いられる現像剤は、トナーとキャリアを混合したとき、トナーとキャリアの摩擦によってトナーを帯電させている。感光体上に形成された電荷に応じて帯電したトナーが付着するので、画像を形成することができる。このため、トナーに適正な帯電量を与えることは、適正な濃さの画像を形成するために重要な要素である。また、トナーの帯電量が安定であることによって、画像の濃さも安定する。トナーは消費されるので、現像機中にトナーを補給する必要があり、その補給されたトナーを速やかに帯電させる必要がある。これらの性能が良好となる２成分現像剤として、トナー帯電量とトナーとキャリアの混合比（あるいは、現像剤中のトナーの重量割合であるトナー濃度）の望ましい関係と特性の現像剤について開示された例が知られている。（例えば、特許文献１）また、トナー濃度をどのような考えに基づいて決めればよいかということを記載した例が知られている。（例えば、非特許文献１）
更に、２成分現像方式では、線画像と、広い面積画像（ベタ画像）とで、単位面積あたりに付着するトナー量が異なり、線画像の方の付着量が多くなってしまうことが一般的であった。これらは、エッジ効果と呼ばれるもので、線画像にトナーが必要以上に付着することになる。特に文字などは、線画像の集まりであるので、トナーが付着している面積は少なくてもエッジ効果が強い場合には、トナーの付着量は多くなる。実際にこのような画像の表面を指でなぞると、トナーが盛り上がっていることを感じる。エッジ効果による線画像の付着量が多すぎると、トナーが無駄に消費されることになるので、同じ量のトナーで印刷できる枚数が減り、印刷コストの上昇も招く。単位面積あたりに付着するトナー量としては、ベタ画像で必要な画像濃度が得られる量と、線画像に付着する量は同じであることが望ましい。このような特性を得るためには現像ギャップを狭くすることが有効であり、現像ギャップを狭くするための工夫がなされている。（例えば、特許文献２，特許文献３）
従来から行われてきた現像条件の調整は、広い面積のベタ画像濃度が適正となるトナー付着量が得られ、画像乱れなどの不具合が出ないように、現像バイアス、トナー濃度、周速比、現像ギャップを調整してきたが、エッジ効果などの不具合については対策が不十分であった。
【０００４】
【特許文献１】特開平８−２４８６７２号公報
【０００５】
【特許文献２】特開昭５６−１６１５６５号公報
【特許文献３】特開２００１−３４３８３２号公報
【非特許文献１】保志信義、安西正保、二成分現像剤の実効キャリア被覆率、電子写真学会誌、第２５巻  第4号（１９８６）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明が解決しようとする課題は、２成分現像剤を用いた画像形成装置において、線画像の単位面積あたりのトナー付着量がベタ画像のトナー付着量に比べて多すぎることである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、２成分現像剤のトナー帯電量のトナー濃度依存性が少なく、所定のトナー濃度において所定の帯電量以上になるような現像剤を用いることを主要な特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、単位面積あたりのトナー付着量について、線画像の付着量を広い面積のベタ画像の付着量とほぼ同じ量に合わせることができるので、無駄なトナーの消費を抑えられるので印刷コストの低減が可能であり、また線画への過剰なトナー付着が低減されるので飛散りが減り、画質も改善することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
次に本発明が適用される画像形成装置について図２を用いて説明する。
【００１０】
時計方向（矢印方向）に回転する感光体１は、帯電器２によってその表面が一様に帯電される。レーザビームもしくはLEDなどの露光器３は、画像デ−タに応じて光が明滅し、感光体１の表面を露光する。感光体１上では、露光器３から照射された光が当たった部分が導電化して表面の電荷が消失する。
【００１１】
現像機４には、トナーとキャリアからなる２成分現像剤が保持されており、内部に磁石を備えた現像ロ−ル４１の回転にともなって感光体１と向かい合った領域へと搬送される。現像ロ−ル４１には、直流に交流を重畳した現像バイアス電圧が現像バイアス電源４８から印加されており、感光体１と同じ帯電極性のトナーは、感光体１と現像ロール４１間の電界の作用で、感光体表面の電荷が消失した場所に付着する。現像によって感光体１上に形成されたトナー像は、転写器５によって用紙７に転写される。用紙７に転写されたトナー像は、図示していないが、定着器での加熱によって融解されて、用紙７上に固着される。その後、感光体１上に残留したトナーを清掃機６で除去し、以後同様に画像形成が行なわれる。清掃機６で除去されたトナーは、トナーホッパ４２に回収されて再び現像に使用される。
【００１２】
現像によってトナーが消費されると、現像機４の現像剤中のトナー濃度が低下し、トナー濃度センサ４４の出力値が変化する。トナー濃度センサ４４の出力値を、制御部４６に設けられた記憶手段で記憶されている所定値と比較する。制御部４６は、トナー濃度が所定値より低下したことを検出すると、トナー補給ローラ４３を駆動して、トナーホッパ４２から現像機４内にトナーを補給する。トナー濃度センサ４４の出力値が所定値になると、現像機４内のトナー濃度が過剰にならないように制御部４６は補給ローラ４３を停止させる。
【００１３】
感光体１と現像ロール４１の向かい合った部分が現像の行われる部分であり、感光体１と現像ロール４１の間隔を現像ギャップとよぶ。また、感光体１の周表面の移動速度と、現像ロール４１周表面の移動速度の比を周速比とよぶ。
【００１４】
本発明の実施例では、線画像の単位面積あたりのトナー付着量をベタ画像のトナー付着量に合わせるために、現像ギャップ、現像バイアス、周速比、現像バイアス電圧の調整を、トナー帯電量のトナー濃度依存性が少ない現像剤を用いて、そのトナー帯電量とトナー濃度の調節を併用することとした。
（実施例）
まず、現像剤のトナー単位重量当たりの帯電量Ｑ／Ｍと、トナーの重量割合を表すトナー濃度Ｔｃの関係を、図１を用いて説明する。
【００１５】
図１は、３種類の現像剤について、トナー帯電量Ｑ／Ｍのトナー濃度Ｔｃ特性を示したグラフである。使用した現像剤は、平均粒径８．５μｍのスチレンアクリル樹脂の黒トナーを共通に用いている。キャリアは各現像剤について下記のような諸元である。
【００１６】
現像剤ｄｅ−１のキャリアは、コア材がマグネシウムフェライトで、平均粒径４０μｍ、シリコン樹脂をコーティングし、コーティング材中にカーボンブラックを添加している。
【００１７】
現像剤ｄｅ−２のキャリアは、コア材がマグネシウムフェライトで、平均粒径４０μｍ、アクリル樹脂をコーティングし、コーティング材中にカーボンブラックを添加している。
【００１８】
現像剤ｄｅ−３のキャリアは、コア材がマグネタイトであり、平均粒径４０μｍ、現像剤ｄｅ−１のキャリアとは異なるシリコン樹脂をコーティングし、コーティング材中にカーボンブラックを添加している。帯電量の測定は、吸引法の装置（トレックジャパンの２１０ＨＳ型相当品）で測定した。
トナー帯電量Ｑ／Ｍはトナー濃度Ｔｃが大きくなると低下する傾向を示す。Ｔｃ増加に伴うＱ／Ｍの低下は、Ｔｃに対して一定の割合で低下するとは限らず、現像剤によって低下の割合は異なる。トナー濃度Ｔｃが増加すると、急激にトナー帯電量Ｑ／Ｍが低下するｄｅ−２のような現像剤、緩やかにＱ／Ｍが低下するｄｅ−１やｄｅ−３のような現像剤がある。これらの現像剤のトナー帯電量Ｑ／Ｍとトナー濃度Ｔｃの関係は、Ｔｃに対する変化の割合が異なっても１つの数式で記述することができる。この内容は、特許文献１に詳しく記載されている。特許文献１では、
[数１]
Ｑ／Ｍ  ＝  Ａ／（１＋Ｂ×Ｔ／Ｃ）
の形式で表されることが説明されている。Ｔ／Ｃは、トナーとキャリアの重量混合比であり、トナー濃度Ｔｃとの間には
[数２]
Ｔｃ＝Ｔ／Ｃ／（１＋Ｔ／Ｃ）×１００
の関係がある。特許文献１では、トナー帯電量Ｑ／Ｍと混合比Ｔ／Ｃの関係を数１に当てはめて、Ａ、Ｂを求めていた。
【００１９】
数１の数式で表される特性は、指数関数を用いて、
[数３]
Ｑ／Ｍ＝Ａ×ｅｘｐ（−Ｂ×Ｔｃ）
の形式で表すことができる。これは指数関数ｅｘｐ（−ｘ）は、テイラー展開により、
[数４]
ｅｘｐ（−ｘ）＝１−ｘ＋ｘ×ｘ／２＋（３次以上は省略）
と展開されるので、ｘが１より小さい場合には数４右辺第２項までで近似でき、
[数５]
ｅｘｐ（−ｘ）≒１−ｘ
となり、更に、
[数６]
１−ｘ≒１／（１＋ｘ）
と近似できるので、結局、
[数７]
ｅｘｐ（−ｘ）≒１／（１＋ｘ）
の関係が得られ、数３の指数関数を用いた形式でもトナー帯電量Ｑ／Ｍとトナー濃度Ｔｃとの関連を表すことができる。
【００２０】
３種類の現像剤について、現像剤のトナー濃度Ｔｃを変えて、トナー帯電量Ｑ／Ｍを測定し、Ｑ／ＭとＴｃの関係を表計算ソフトウエアの近似曲線当てはめの機能を用いて、数３に当てはめると以下のようになった。
現像剤  ｄｅ−１
[数８]
Ｑ／Ｍ＝２９．２２×ｅｘｐ（−０．０３４×Ｔｃ）
現像剤  ｄｅ−２
[数９]
Ｑ／Ｍ＝３８．０４×ｅｘｐ（−０．０６７×Ｔｃ）
現像剤  ｄｅ−３
[数１０]
Ｑ／Ｍ＝２２．０６×ｅｘｐ（−０．０３５×Ｔｃ）
以上、トナー帯電量Ｑ／Ｍとトナー濃度Ｔｃの関係について説明した。
次に、線画とベタの付着量差を低減する現像条件を検討した結果を説明する。この検討を行うため、日立プリンティングソリューションズ製の解像度６００ｄｐｉであるプリンタＤＤＰ９２をベースとして評価を行った。
【００２１】
第１番目にトナー濃度の効果について検討した結果を、図３を用いて説明する。現像剤はｄｅ−１を用い、現像ギャップは０．５ｍｍ、直流現像バイアス３５０Ｖ、周速比１．５である。
トナー濃度と線画、ベタ付着量の関係について図３に示す。Ｌ１−２は線幅１ドットで線間を２ドット空けた繰り返し線、Ｌ２−４は線幅２ドットで線間を４ドット空けた繰り返し線、Ｌ８−１６は線幅８ドットで線間１６ドット空けた繰り返し線である。ｓｏｌｉｄはベタ画像である。それぞれの印刷パターンを、ＯＨＰフィルムに印刷した。印刷前のＯＨＰフィルムの重量と、印刷後のＯＨＰフィルムの重量の差が付着したトナーの重量となる。そのトナーの重量を印刷面積で割ることによって、単位面積あたりのトナー付着量ｍ／Ａ（ｍａｓｓ  ｐｅｒ  Ａｒｅａ）を得ることができる。これらの凡例は以下の検討でも同じである。なお、８ドットの線幅は、文字サイズとしてよく使われる１０ポイント前後の文字の線幅となっており、さらにエッジ効果によるトナー付着量も多くなる線幅でもある。したがって、８ドット線の付着量とｓｏｌｉｄ（ベタ）に近づける条件を見出すことが、本発明の特徴の一つとなる。
図３より、トナー濃度を増加させるとＬ８−１６（８ドット線）、ｓｏｌｉｄ（ベタ）ともにトナー付着量の増加分がほぼ同じであり、線画、ベタの付着量の比が１に近くなることがわかった。すなわち、トナー濃度を増加させることは、線画とベタの付着量を近づける効果がある。
【００２２】
第２番目に、現像ギャップの効果について検討した結果を説明する。現像ギャップを狭くすることによってエッジ効果は低減される。現像剤ｄｅ−１をトナー濃度１５％で用いて検討した結果を図４に示す。現像バイアスは、直流３５０Ｖ、周速比は１．５である。
【００２３】
現像ギャップを０．５、０．４、０．２ｍｍと狭くしていくと、ｓｏｌｉｄの付着量が増加し、線画の付着量は減少することがわかった。現像ギャップが０．２ｍｍでｓｏｌｉｄ（ベタ）とＬ８−１６（８ドット線幅）の付着量と同じになることがわかるが、現像ギャップ０．２ｍｍは機械精度を高くしなければならず、価格が高くなる。また、現像ギャップを狭くすると、線画の付着量が減っているが、これはキャリアによる擦りが強くなって、画像のかきとりが増えているためであり、画質の面からも０．２ｍｍの現像ギャップを採用することは難しいと考えられる。
第３番目に直流現像バイアスの検討結果について、図５を用いて説明する。現像剤ｄｅ−１をトナー濃度１５％で用い、現像ギャップは０．５ｍｍ、周速比は１．５である。
【００２４】
図５に示すように、直流現像バイアスを増加させると、線画、ベタ付着量の増加量はほぼ同じである。トナー濃度の場合と同様に、現像バイアスを増加させると、線画とベタの付着量を近づける効果がある。
【００２５】
第４番目に周速比の検討結果について、図６を用いて説明する。現像剤ｄｅ−１をトナー濃度１５％で用い、現像ギャップは０．４ｍｍ、現像バイアスは直流３５０Ｖである。
【００２６】
周速比を増加させると、ｓｏｌｉｄ(ベタ)付着量は増加し、線画の付着量が減少する傾向が見られる。周速比を増加させると、線画とベタの付着量を近づける効果がある。
【００２７】
第５番目に現像バイアスに交流電圧を重畳する効果について検討した結果を、図７を用いて説明する。現像剤ｄｅ−１をトナー濃度１５％で用い、現像ギャップは０．４ｍｍ、直流現像バイアスは３５０Ｖ、周速比は１．８、交流の周波数は７ｋＨｚである。図７に示すように、交流電圧が０．６ｋＶｐｐでは直流バイアスのみの場合とほとんど同じ付着量であるが、交流電圧を０．９ｋＶｐｐに高くすると、ｓｏｌｉｄ(ベタ)付着量は増加するが、線画（Ｌ１−２、Ｌ２−４、Ｌ８−１６）は減少することがわかった。特に問題としている８ドット線（Ｌ８−１６）の付着量はわずかであるがベタ（ｓｏｌｉｄ）を下回っており、これまで検討してきた条件範囲で付着量を同じにできる条件があることを意味している。なお、本検討では交流周波数を交流電源の最大電流の制限から７ｋＨｚとして実験したが、４ｋＨｚ以上であれば同じ効果が得られる。ここでＶｐｐは、ピークトゥピーク電圧とする。
以上説明してきたように、トナー濃度、直流現像バイアス電圧、周速比、交流現像バイアス電圧振幅は高め或いは大きめに、現像ギャップは狭くする方向に調整することで、線画とベタの付着量を合わせられることがわかった。
【００２８】
これらの条件で、トナー濃度以外は、現像装置の調整に関わる条件で、自由に設定可能な項目であり、また設定による不具合は原理的には起こらない。しかし、トナー濃度については、キャリアとトナーの組合せで適切な帯電が行われなければならず、自由に調整できるものではない。本発明で達成した条件は、図１に示した現像剤ｄｅ−１で達成できたものであった。現像剤ｄｅ−２とｄｅ−３では、トナー濃度１５％に設定すると、画像背景部が汚れるという課題が発生してしまった。
【００２９】
現像剤ｄｅ−１のようなトナー帯電量のトナー濃度特性を得ることが本発明の要点である。
【００３０】
現像剤ｄｅ−２はトナー濃度が８％以下でトナー帯電量Ｑ／Ｍが最も高いが、トナー濃度の増加に伴って急激に低下してしまう特性であった。現像剤ｄｅ−２は、トナー濃度１０％程度で背景部の汚れが目立ち、トナー濃度１５％では背景部の汚れがひどく使用に耐えられなかった。背景部の汚れがでる原因は、トナーが十分に帯電していない場合である。トナー帯電量がトナー濃度によって大きく変化する現像剤では、キャリアがトナーを帯電させる能力が低いため、このような課題が生じ易いものと考えられる。
【００３１】
また、現像剤ｄｅ−３はトナー濃度に対する変化の割合は、現像剤ｄｅ−１とほぼ同じであるが若干帯電量が低い現像剤であり、トナー濃度１５％でも使用することはできたが、背景部の汚れが若干目立っていた。
【００３２】
また、現像剤ｄｅ−１でもトナー濃度を１６％にすると、背景部の汚れが若干目立ってきた。
【００３３】
このようなことから、本発明で使える現像剤としては、トナー帯電量Ｑ／Ｍのトナー濃度Ｔｃ特性としては、数３に当てはめた場合、Ｂの値が０．０３５以下（現像剤ｄｅ−１、ｄｅ−３）であり、Ｂ×Ｔｃ＜０．５４を満足するトナー濃度とすることが必要である。さらに背景部のカブリが目立たないような条件として、現像剤ｄｅ−１とｄｅ−３の結果から、トナー濃度１５％におけるそれぞれの帯電量の平均が１４．８μＣ／ｇであるのでおよそ１５μＣ／ｇ以上（現像剤ｄｅ−１）とすることが望ましい。
【００３４】
そしてこのような特性の現像剤を用い、実際に線画とベタの付着量をほぼ同じに合わせるための条件は、現像ギャップが０．４ｍｍ以下、直流現像バイアスが３５０Ｖ以上、周速比が１．８以上、交流現像バイアス電圧が９００Ｖｐｐ以上である。
【００３５】
なお、非特許文献１では、トナーとキャリアの粒径から適正なトナー濃度を規定しているが、本発明のような帯電量のトナー濃度特性とすることによって非特許文献１の理論で規定されるトナー濃度以上でも使うことができた。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】トナー帯電量のトナー濃度特性を示したグラフである。
【図２】画像形成装置の模式図である。
【図３】トナー濃度とトナー付着量の関係を示したグラフである。
【図４】現像ギャップとトナー付着量の関係を示したグラフである。
【図５】直流現像バイアス電圧とトナー付着量の関係を示したグラフである。
【図６】周速比とトナー付着量の関係を示したグラフである。
【図７】交流現像バイアスとトナー付着量の関係を示したグラフである。
【符号の説明】
【００３７】
１…感光体、２…帯電器、３…露光器、４…現像機、５…転写器、６…清掃機、７…用紙、８…現像剤、１１…トナーの転写特性、４１…現像ロ−ル、４２…トナーホッパ、４３…トナー補給ローラ、４４…トナー濃度センサ、４５…攪拌スクリュー、４７…現像剤規制部材、４８…現像バイアス電源、５３…転写電源。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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